電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補(bǔ)償系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有逆變器的非線性特性導(dǎo)致相電壓和相電流畸變的問(wèn)題，其特征在于非線性補(bǔ)償裝置的輸入端連接電流傳感器，輸出端連接控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)綜合給定轉(zhuǎn)速、給定電壓、給定電流信號(hào)與反饋轉(zhuǎn)速、反饋電壓、反饋電流信號(hào)輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器輸出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)到脈沖驅(qū)動(dòng)裝置，脈沖驅(qū)動(dòng)裝置與三相橋式電壓源型逆變器連接。本實(shí)用新型簡(jiǎn)單有效，能夠有效減小非線性誤差造成的電壓電流畸變現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)運(yùn)行性能；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)，解決了電動(dòng)汽車低速行駛帶來(lái)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，改善了電動(dòng)汽車加速性能，抗干擾性強(qiáng)，檢測(cè)精度高。
【專利說(shuō)明】
電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補(bǔ)償系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)，特別設(shè)及一種電動(dòng)汽車交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)矢 量控制系統(tǒng)精度補(bǔ)償系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，駕駛員對(duì)汽車的操作性、穩(wěn)定性、安全性要求越來(lái)越 局。
[0003] 逆變器作為電動(dòng)汽車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響汽車的穩(wěn)定 性。逆變器的數(shù)學(xué)模型呈非線性特性，其輸出波形為存在一定失真的正弦波:原因一是為了 防止逆變器功率器件上下橋臂直通，通常在功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入死區(qū)時(shí)間，在保證了 功率器件安全工作的同時(shí)，也帶來(lái)了電壓電流波形崎變、零電流巧位等死區(qū)效應(yīng);原因二是 逆變器功率器件不是理想的開關(guān)器件，存在導(dǎo)通壓降影響了輸出相電壓、相電流的正弦度。
[0004] 如果按照低速轉(zhuǎn)向時(shí)輕便性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，則高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力過(guò)小導(dǎo)致路感差， 影響操縱性。為了保證汽車在停車狀況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)能夠輕松自如而在高速行駛時(shí)又不 會(huì)感到不穩(wěn)，因而如何提高逆變器效率，提高矢量控制系統(tǒng)的精度，對(duì)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)都 有著及其重要的意義。常規(guī)的控制策略是采用近似線性化控制方法，運(yùn)種方案雖然采用了 線性控制理論進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，但是運(yùn)樣的近似本身就給系統(tǒng)的控制帶來(lái)了不確定性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)非 線性補(bǔ)償系統(tǒng)，針對(duì)逆變器的功率器件為非理想器件，其管壓降較大程度地影響了逆變器 輸出的相電壓和相電流的問(wèn)題，來(lái)抵消給逆變器帶來(lái)的失真特性。
[0006] 所述的電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補(bǔ)償系統(tǒng)，包括PC機(jī)、直流電源、S相橋式電 壓源型逆變器U1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)U4、電壓傳感器、電流傳感器U8和轉(zhuǎn)速傳感器，直流電 源通過(guò)=相橋式電壓源型逆變器Ul與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，在直流電源與=相橋式電壓源型逆變 器Ul間有電壓傳感器，電壓傳感器與控制系統(tǒng)U4輸入端連接;在S相橋式電壓源型逆變器 Ul與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的電源線上連接有電流傳感器U8,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào) 傳送給控制系統(tǒng)U4;其特征在于還包括非線性補(bǔ)償裝置U3,非線性補(bǔ)償裝置U3的輸入端連 接電流傳感器U8,非線性補(bǔ)償裝置U3的輸出端連接控制系統(tǒng)U4;控制系統(tǒng)U4綜合給定轉(zhuǎn)速、 給定電壓、給定電流信號(hào)與反饋轉(zhuǎn)速、反饋電壓、反饋電流信號(hào)輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模 塊Ull，計(jì)算出空間矢量調(diào)制的占空比，通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)裝置U6與=相橋式電壓源型逆變器Ul 連接。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果:利用電流空間矢量所在扇區(qū)，并結(jié)合逆 變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)用W補(bǔ)償逆變器非線性帶來(lái)的電壓偏差，使得逆變器并網(wǎng)電壓呈 圓形軌跡，同時(shí)提高了輸出電流的正弦度;采用新型的非線性補(bǔ)償裝置來(lái)抵消并網(wǎng)逆變器 帶來(lái)的失真，避免了傳統(tǒng)方式中近似線性化控制方法帶來(lái)的不確定性，具有更好的動(dòng)態(tài)性 能;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)，解決了電動(dòng)汽車低速行駛帶來(lái)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，改善 了電動(dòng)汽車加速性能，抗干擾性強(qiáng)，檢測(cè)精度高且不需要額外的硬件開支。
【附圖說(shuō)明】
[000引圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
[0009] 圖1中，UUS相橋式電壓源型逆變器;U2、驅(qū)動(dòng)電機(jī);U3、非線性補(bǔ)償裝置;U4、控制 系統(tǒng);呪、PC機(jī);U6、脈沖驅(qū)動(dòng)裝置;U7、電壓傳感器;U8、電流傳感器;U9、轉(zhuǎn)速傳感器;UlO、直 流電源;U11、空間矢量脈寬調(diào)制模塊;U12、編碼器。
[0010] 圖2是本實(shí)用新型中逆變器的功率器件的正向特性圖。
[001 U 圖2中，Uce、導(dǎo)通壓降，i Ce、導(dǎo)通電流，Uth、口檻電壓，IGBT、絕緣柵雙極型晶體管， Diode、二極管。
[0012] 圖3是電流空間矢量is所在扇區(qū)圖。
[0013] 圖3中，A、B、C軸為互差120°的=相靜止坐標(biāo)軸，a、e軸為兩相靜止坐標(biāo)軸，UO (000)、山（001)、112(010)、113(011)、114(100)、化（101)、116(110)、117(111)為電壓空間矢量113所 在的開關(guān)狀態(tài)，1、11、虹、1￥、￥、￥1為電流空間矢量13所在平面的六個(gè)區(qū)域。
[0014] 圖4是功率器件的100開關(guān)狀態(tài)的矢量圖。
[0015] 圖5是逆變器的100開關(guān)狀態(tài)的導(dǎo)通壓降電路圖。
[0016] 圖6是功率器件的110開關(guān)狀態(tài)的矢量圖。
[0017] 圖7是逆變器的110開關(guān)狀態(tài)的導(dǎo)通壓降電路圖。
[001引圖8是功率器件的111開關(guān)狀態(tài)的矢量圖。
[0019] 圖9是逆變器的111開關(guān)狀態(tài)的導(dǎo)通壓降電路圖。
[0020] 圖4、5、6、7、8、9中，1?6、矢量的實(shí)部〇1。、矢量的虛部，13、^、1。為采集的^相電流， Vdc、直流電源的電壓，63、66、6。為主電路的等效電壓。
[0021 ]圖10是功率器件的開關(guān)狀態(tài)對(duì)輸出電壓影響的原理圖。
[0022] 圖10中，Us、補(bǔ)償前的電壓空間矢量;補(bǔ)償后的電壓空間矢量;uth、口檻電壓空 間矢量。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 如圖1所示，本實(shí)用新型所述的電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補(bǔ)償系統(tǒng)包括PC機(jī) 呪、直流電源Ul 0、S相橋式電壓源型逆變器Ul、驅(qū)動(dòng)電機(jī)U2、控制系統(tǒng)U4、脈沖驅(qū)動(dòng)裝置U6、 電壓傳感器U7、電流傳感器U8和轉(zhuǎn)速傳感器U9,直流電源UlO通過(guò)=相橋式電壓源型逆變器 Ul與驅(qū)動(dòng)電機(jī)U2連接，在直流電源UlO與=相橋式電壓源型逆變器Ul間有電壓傳感器U7,電 壓傳感器U7與控制系統(tǒng)U4輸入端連接;在=相橋式電壓源型逆變器Ul與驅(qū)動(dòng)電機(jī)U2之間的 電源線上連接有電流傳感器U8,驅(qū)動(dòng)電機(jī)U2通過(guò)編碼器U12、轉(zhuǎn)速傳感器U則尋轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送 給控制系統(tǒng)U4;;其特征在于還包括非線性補(bǔ)償裝置U3，非線性補(bǔ)償裝置U3的輸入端連接電 流傳感器U8,非線性補(bǔ)償裝置U3的輸出端連接控制系統(tǒng)U4;控制系統(tǒng)U4綜合給定轉(zhuǎn)速、給定 電壓、給定電流信號(hào)與反饋轉(zhuǎn)速、反饋電壓、反饋電流信號(hào)輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊 Ull，計(jì)算出空間矢量調(diào)制的占空比，通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)裝置U6與S相橋式電壓源型逆變器Ul連 接。
[0024] 工作原理：
[0025] 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主電路一般采用=相橋式電壓源型逆變器Ul供電，電源為直流 電源U10。由于逆變器的功率器件不是一個(gè)理想的開關(guān)器件，其管壓降對(duì)逆變器非線性輸出 相電壓和相電流有較大的影響。圖2所示為EUPEC公司功率器件BSM50GB120DN2的特性曲線 W及二極管的飽和壓降曲線。線性化處理后如圖1中的虛線所示，即功率器件的導(dǎo)通壓降Uce 近似看成固定口檻電壓Uth與其阻抗壓降的合成。
[0026] PC機(jī)U5設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)改變?cè)O(shè)定的轉(zhuǎn)速大小驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。 轉(zhuǎn)速傳感器U9經(jīng)過(guò)編碼器U12采樣得到實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，電壓傳感器U7，如LEM公司的LV28-P 電壓傳感器，經(jīng)電平處理電路、A/D采樣后，送給控制系統(tǒng)U4得到電壓信號(hào)，電流傳感器U8， 如LBl公司的LA28-NP電流傳感器，經(jīng)電平處理電路、A/D采樣后，送給控制系統(tǒng)U4得到電流 信號(hào)。
[0027] 電流傳感器U8采集S相電流13、16、1。，經(jīng)33/23坐標(biāo)變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電 流信號(hào)ia、ie，此兩相靜止坐標(biāo)系下的電流合成為電流空間矢量is,即is=ia+化。
[0028] 非線性補(bǔ)償裝置U3采用可編程邏輯單元，通過(guò)并行運(yùn)算處理算法并結(jié)合公式（1) 能在一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)快速地判斷出電流空間矢量is所在的扇區(qū)，然后根據(jù)表1來(lái)輸出需補(bǔ) {吉的電壓值Uacom兩山化om。
[0029] 圖3所示為電流空間矢量is所在扇區(qū)位置，其中A、B、C軸為互差120°的=相靜止坐 標(biāo)軸，a、0軸為兩相靜止坐標(biāo)軸；與電壓空間矢量類似，通過(guò)ia=〇，ia=l .732ie，ia=-1.732ip =條直線，將電流空間矢量平面分為六個(gè)區(qū)域。設(shè)定：
[0030]
[0031] 則電流空間矢量is所在扇區(qū)sec (is)由下式（1)確定：
[0032] sec(is)=4X+2Y+Z 式（1)
[003引其中，X、Y、Z代表命題的真假;ia、ie為電流空間矢量is兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分 量。
[0034]圖4、5、6、7、8、9所示為功率器件的開關(guān)狀態(tài)對(duì)逆變器的影響。電壓空間矢量第一 扇區(qū)內(nèi)功率器件的開關(guān)狀態(tài)存在=種情況，即圖4的100開關(guān)狀態(tài)、圖6的110開關(guān)狀態(tài)、圖8 的111開關(guān)狀態(tài)，規(guī)定電流方向由逆變器流入電網(wǎng)為正方向，并規(guī)定A相電流ia始終為正、B、 C兩相電流ib、ic始終為負(fù)，根據(jù)逆變器的開關(guān)狀態(tài)，=相電流ia、ib、ic要么通過(guò)功率器件 IGBT流通，要么通過(guò)反并聯(lián)二極管流通；圖5、7、9分別為逆變器的100、110、111開關(guān)狀態(tài)的 導(dǎo)通壓降電路圖；由于一個(gè)扇區(qū)內(nèi)功率器件的開通時(shí)間最大僅為基波周期的1/6,因此=相 電流的方向在此扇區(qū)期間并未改變，即=相橋式電壓源型逆變器開關(guān)狀態(tài)雖改變，但功率 器件導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)輸出電壓的影響并沒(méi)有改變；因此可見(jiàn)，逆變器導(dǎo)通壓降Uce的影響便可由 =相電流的方向決定;其余扇區(qū)同理分析，可得出一條結(jié)論：同一扇區(qū)內(nèi)不同的開關(guān)狀態(tài)， 功率器件的非線性特性對(duì)=相橋式電壓源型逆變器的影響只跟=相電流的流向有關(guān)，即只 跟電流空間矢量is所在扇區(qū)有關(guān);定義口檻電壓為Uth,由于口檻電壓在某一橋臂的影響也 由該相電流方向決定，可W定義A相口檻電壓采用UthS ign (ia)表示；因此利用電壓空間矢量 概念可W定義：
[003引 11化=11化3；[即（13)+日11化3；[即化）+日211化31邑]1(；[。） 式（2)
[0036] 式(2)中：Uth為逆變器非線性帶來(lái)的口檻電壓空間矢量，Uth是矢量，存在實(shí)部與虛 部;郵1為口檻電壓，運(yùn)里是數(shù)值;日=日邱（撲231/3)=(：03(231/3) + ^'3；[]1(231/3)。比如，當(dāng)電流空間 矢量is處于扇區(qū)￥1(110)時(shí)，郵1=郵1[31邑11(13)+日31邑]1(；[6)+日231邑]1(；[。）]=郵1(1+日-日 2)=化化6邱 0*0)。
[0037] 結(jié)合上述分析，針對(duì)不同的扇區(qū)中電流空間矢量is對(duì)逆變器輸出電壓的影響，電 壓補(bǔ)償如表1所示：
[0038] 表1補(bǔ)償后的電壓值
[0039]
[0040] 表1中：Ua、ue分別為補(bǔ)償前的電壓空間矢量Us在兩I貞靜止坐標(biāo)系下的分量，uacom、 UPcnm分別為補(bǔ)償后的電壓空間矢量U^E兩項(xiàng)靜止坐標(biāo)系下的分量。
[0041 ]控制系統(tǒng)U4將給定電壓11\和11^和補(bǔ)償后的電壓UacDm和up。。。輸入到空間矢量脈寬 調(diào)制模塊Ull，得到六路脈沖信號(hào)，輸入到脈沖驅(qū)動(dòng)裝置U6,從而控制S相橋式電壓源型逆 變器Ul中功率器件的開通關(guān)斷，使得逆變器并網(wǎng)電壓呈圓形軌跡，有效降低電壓崎變率，同 時(shí)提高了輸出電流的正弦度，削弱了逆變器非線性特性帶來(lái)的影響，保證了驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ul的 穩(wěn)定運(yùn)行。
[0042] 圖10所示為逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)對(duì)電壓空間矢量Us的影響。其中，山為補(bǔ)償 前的電壓空間矢量，由于功率器件開關(guān)狀態(tài)的影響，在扇區(qū)切換時(shí)Us軌跡不連續(xù)并且發(fā)生 崎變，存在如下關(guān)系us=u*-uth-rdis。式中：U*為補(bǔ)償后的電壓空間矢量，呈圓形軌跡;rd為逆 變器的等效通態(tài)電阻;Uth為口檻電壓空間矢量。從圖10中可W看出逆變器的非線性使得補(bǔ) 償前后的電壓空間矢量存在矢量差，采用非線性補(bǔ)償后，U噸奇變率大大降低，有效削弱了逆 變器非線性特性帶來(lái)的影響。
[0043] 周期性判斷電流空間矢量is所在扇區(qū)來(lái)補(bǔ)償逆變器非線性的電壓偏差，使得逆變 器輸出電壓呈圓形軌跡，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ul運(yùn)行更加平滑，提高了輸出電流的正弦度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)非線性補(bǔ)償系統(tǒng)，包括PC機(jī)、直流電源、三相橋式電壓源 型逆變器U1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)U4、電壓傳感器、電流傳感器U8和轉(zhuǎn)速傳感器，直流電源通 過(guò)三相橋式電壓源型逆變器U1與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，在直流電源與三相橋式電壓源型逆變器U1 間有電壓傳感器，電壓傳感器與控制系統(tǒng)U4輸入端連接;在三相橋式電壓源型逆變器U1與 驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的電源線上連接有電流傳感器U8,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送 給控制系統(tǒng)U4;其特征在于還包括非線性補(bǔ)償裝置U3,非線性補(bǔ)償裝置U3的輸入端連接電 流傳感器U8,非線性補(bǔ)償裝置U3的輸出端連接控制系統(tǒng)U4;控制系統(tǒng)U4綜合給定轉(zhuǎn)速、給定 電壓、給定電流信號(hào)與反饋轉(zhuǎn)速、反饋電壓、反饋電流信號(hào)輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊 U11，計(jì)算出空間矢量調(diào)制的占空比，通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)裝置U6與三相橋式電壓源型逆變器U1連 接。
【文檔編號(hào)】B60L15/20GK205584062SQ201620147654
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年2月29日
【發(fā)明人】周二磊, 陳強(qiáng), 紀(jì)永新, 曹薇薇, 張先云, 米東星, 丁明
【申請(qǐng)人】國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司淮北供電公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司